錯合物氧化還原電位之比較

錯合物 Ni(BMP^OHP)](ClO4)2 (1)在乙腈下進行循環伏安法測量，掃描 速率為 100 mVs^-1，CV 圖中顯示一組不可逆(irreversible)的氧化還原峰，

其電位為 E = -1.019 V vs Ag/Ag⁺(Fig. 3-5)。

Fig. 3-5 [Ni(BMP^OH

P)](ClO

4

)

2

(1)的 CV 圖

錯合物[Ni(BMP^OTMSP)](ClO₄)₂ (2)在乙腈下進行循環伏安法測量，掃 描速率為 100 mVs^-1，CV 圖中顯示一組不可逆(irreversible)的氧化還原

Potential (V vs Ag/Ag⁺)

Current (μA)

峰，其電位為 E = -1.047 V vs Ag/Ag⁺(Fig. 3-6)。

Fig. 3-6 [Ni(BMP^OTMS

P)](ClO

4

)

2

(2)的 CV 圖

錯合物[Ni(BMP^OTPSP)](ClO4)2 (3)在乙腈下進行循環伏安法測量，掃 描速率為 100 mVs^-1，CV 圖中顯示一組不可逆(irreversible)的氧化還原 峰，其電位為 E = -1.090 V vs Ag/Ag⁺(F 收 3-7)。

Fig. 3-7 [Ni(BMP^OTPS

P)](ClO

4

)

2

(3)的 CV 圖

Potential (V vs Ag/Ag⁺)

Current (μA)

Potential (V vs Ag/Ag⁺)

Current (μA)

錯合物 Ni(BDPP^OH) (4)在乙腈下進行循環伏安法測量，掃描速率為 100 mVs^-1，CV 圖中顯示一組可逆(reversible)的氧化還原峰，其半電位為 E1/2 = 0.520 V vs Ag/Ag⁺ (Ni^II/Ni^III)，

E = 0.103 V，i

pa/ipc = 0.726(Fig. 3-8)。

Fig. 3-8

Ni(BDPP

^OH

) (4)的 CV 圖

由電化學的結果得知，NiBMP^ORP 系列的錯合物 1 ~ 3 並沒有可逆的 氧化還原峰，但是錯合物 4 有一可逆的氧化還原峰，這樣的差異是因為 配位基配位的能力不同所造成。若二價鎳要進行氧化反應失去一個電子 形成三價鎳錯合物時，鎳離子處於較缺電子的情況，而 NiBMP^ORP 系列 的錯合物 1 ~ 3 是利用酯類官能基上氧原子的孤對電子對與鎳離子配 位，酯類上氧原子提供電子能力較弱，無法提供足夠的電子穩定缺電子 的三價鎳離子，因此無法形成三價鎳的錯合物，所以在電化學中偵測不 到可逆的氧化還原峰。而錯合物 4 是利用去質子化後帶負電的烷氧跟與

Potential (V vs Ag/Ag⁺)

Current (μA)

鎳離子配位，相較於用酯類官能基的氧原子能夠提供較多的電子去穩定 中心金屬離子，將有機會形成鎳三價的錯合物，所以有可逆的氧化還原 訊號。

Table 3-7 錯合物 4 與酵素及其他擬態化合物的半電位比較

Sample E_1/2 (mV vs Ag/AgCl) Ref.

WT-NiSOD 93 24

Y9F-NiSOD 97 24

D3A-NiSOD 108 24

Ni(BDPP) 308 in CH

2

Cl

2

23

Ni(BDPP^OH) (4)

520 in CH

3

CN This work

[Ni

^II

(SOD

^M2

)] 520 21

[Ni

^II

(SOD

^M1

)] 705 21

Ni

^II

-NCC 720 20

將錯合物 4 與本實驗室江建緯學長所合成的擬態化合物 Ni(BDPP) 比較，錯合物 4 在 CH₃CN 下測得的半電位為 520 mV，數值較 Ni(BDPP) 的 308 mV 為正，表示錯合物 4 比 Ni(BDPP)不易氧化成三價鎳錯合物，

這個結果與結構上軸位吡啶與鎳離子的距離比較的結果一致。另一方 面，錯合物 4 的半電位坐落在酵素與文獻上具 SOD 活性的擬態化合物 之間，意味著其將會達到三價的氧化態，顯示錯合物 4 有機會如 SOD 進行對超氧化物的反應。

三、 三價鎳錯合物[Ni(BDPP^OH)]PF6 (5)合成與探討

由電化學的結果得知，錯合物 4 有可逆的氧化還原訊號，有機會氧 化成 Ni^III的氧化態，由二茂鐵(ferrocene，Fc)的氧化還原電位(E1/2 = 0.598 V)與錯合物 4 的電位比較，可知利用 Ferrocenium 就可將錯合物 4 氧化 為三價鎳的錯合物。故利用紫外/可見光光譜、電化學及 EPR 證實錯合 物 4 加入[CP2Fe]PF6可氧化成三價鎳錯合物[Ni(BDPP^OH)]PF6 (5)，並藉 DFT 理論計算方法了解其可能的結構與分子軌域分布。

1、 紫外/可見光光譜分析

將錯合物 4 在乙腈下加入[CP₂Fe]PF6反應，並利用紫外/可見光吸收 光譜測定，有 380 及 480 nm 的吸收峰產生(Fig. 3-8)。進行錯合物 4 與不 同當量[CP₂Fe]PF6的滴定實驗時，可見原本的特徵吸收峰 344 nm 會因 [CP2Fe]PF6當量數的增加逐漸轉為 380 及 480 nm 的特徵吸收峰，且在加 入 1 當量的[CP₂Fe]PF6時，吸收度達到最大值，由此現象可知錯合物 4 與[CP₂Fe]PF6進行反應得到的產物，是由 1 當量的電子由錯合物 4 轉移 到[CP₂Fe]⁺的過程，所以可以推斷 380 及 480 nm 吸收為三價鎳錯合物 5 的特徵吸收峰。

Fig. 3-9

錯合物 4 與[CP

₂

Fe]PF

₆

進行反應的 UV/vis 吸收光譜圖 (內圖為 380 nm 在加入不同當量[CP

2

Fe]PF

6

的吸收度變化)

2、氧化還原電位之探討

將[Ni(BDPP^OH)]PF6 (5)在乙腈下進行循環伏安法的測量，掃描速率為 100 mVs^-1，CV 圖中顯示為一組可逆(reversible)的氧化還原峰，其半電位 為 E_1/2 = 0.103 V vs Ag/Ag⁺ (Ni^II/Ni^III)，E = 0.078 V，ipa/ipc = 0.811。

Fig. 3-10

[Ni(BDPP

^OH

)]PF

6

(5)的 CV 圖

錯合物 5 同樣也有一組可逆的氧化還原訊號，與錯合物 4 對照，此 訊號亦為 Ni^II/Ni^III轉換的訊號，可以藉此推斷錯合物 5 為 Ni^III的錯合物。

Potential (V vs. Ag/Ag+)

Current (μA)

錯合物 5 的氧化還原電位與錯合物 4 的不同，是由於錯合物 5 帶有 PF6−

陰離子，在測量過程中會產生 AgPF6鹽類，使得氧化還原電位偏移。

3、電子順磁共振光譜(EPR)

由於三價鎳為 d⁷電子組態，具有一個未成對的電子，因此三價鎳錯 合物在電子順磁共振光譜中可以偵測到 EPR 訊號。影響錯合物電子順磁 共振光譜形狀的因素有：(a)電子組態的性質，(b)金屬離子周圍有效配位 基 場 (ligand field) 的 對 稱 性 ， (c) 晶 格 中 個 別 金 屬 離 子 之 發 色 團 (chromophore)區域分子軸在單位晶格中之方位關係。其中以金屬離子周 圍有效配位基場的對稱性影響最為重要，依照對稱性的不同，會有 isotropic (gx = gy = gz)、axial (gx = gy ≠ g_z)和 rombic (gx ≠ g_y≠ g_z)三種 光譜表現。

Fig. 3-11

[Ni(BDPP

^OH

)]PF

6

(5)的 EPR 圖譜及模擬的圖譜

錯合物 5 的 EPR 光譜是以測定玻璃態電子順磁共振光譜(glass EPR)進行，選用二氯甲烷為溶劑，將溶液冷凍到 77 K 形成玻璃態進 行測量(Fig. 3-11)。經由 easyspin 模擬後的圖譜得知 g1 = 2.165, g2

=

2.127, g3 = 1.990, Azz = 30.0 G，以及在 g = 2.06 G 的位置有個自由基 的訊號，訊號強度為 0.14%。在 g3 = 1.990 的位置有 triplet 分裂的超 精細結構(super-hyperfine coupling)，是由於鎳離子上未成對電子與軸 位吡啶上的氮之間有偶合現象(Coupling)，又氮核的 I 值為 1，所以 分裂成 3 支(2I + 1 = 3)超精細結構。

g factor

Sim.

Exp.

4、理論計算之探討

經由 DFT 理論計算對錯合物 5 結構優化的結果，得到 τ = 0.09，幾 何結構比錯合物 4 更接近平面四角椎的構形。錯合物 5 鎳離子的 d 軌域 能階分佈如 Fig. 3-12 所示，三價鎳為 d⁷電子組態，在強場的情況下，d_yz、 dxz和 d_xy軌域各佔有 2 個電子，未成對電子坐落在 d_z2上，而 LUMO 為 dx²-y²。

Fig. 3-12 [Ni^III

(BDPP

^OH

)]PF

6

(5)之鎳離子 d 軌域的能階分布圖

從錯合物 5 的電子密度分布(Fig. 3-13)，可以看出未成對電子主 要集中在中心金屬的 d_z2與軸位吡啶上氮的 P_z軌域上，表現出軸位吡 啶上的氮的確與中心金屬有很強的作用力，這也說明了在 EPR 上所 觀察到的偶合現象，詳細的電子密度分布如 Table 3-8 所示。

Fig.3-13

[Ni(BDPP

^OH

)]PF

₆

(5)的電子密度分布

Table 3-8

Ni(BDPP

^OH

)]PF

6

(5)的電子密度分布 Ni

d

_z2

0.708

d

_x2-y2

0.221

d

_xz

0.005

d

_yz

-0.066

d

_xy

0.044

N

_py

N1 N2

0.242 -0.004 0.002

O1 -0.134

O2 -0.104

第三節 鎳金屬錯合物與超氧化物反應的探討

還原態 NiSOD 所進行的反應是在有質子來源的條件下，將 O2

—還原

成 H2O2並形成氧化態 NiSOD，Ni^II(BDPP^OH) (4)的配位基上具有羥基有 機會當作質子來源，又由電化學得知錯合物 4 可以氧化成穩定的正三價 鎳錯合物，於是嘗試著使用錯合物 4 與 KO2反應，很可惜地由 UV/vis 偵測反應進行發現兩者並沒有發生反應，而無法進行反應的原因推論為 配位基上羥基的酸性不夠強，無法提供質子來進行反應。因此，將錯合 物 4 氧化成三價鎳錯合物[Ni(BDPP^OH)]PF6 (5)，再利用錯合物 5 與 KO2

反應，以模擬氧化態 NiSOD 的反應性。

一、氧化態 NiSOD 之活性模擬

將錯合物 5 與 KO2反應，反應的溶液由原本錯合物 5 的紅棕色轉變 為綠色，並且有氣泡產生，推測為氧氣生成。將反應後的綠色溶液過濾 抽乾後，並以四氫呋喃溶解後，佐以戊烷在室溫下以緩慢擴散法養晶，

可以得到綠色晶體，將此綠色晶體經由 X-ray 解析後，發現為氧化前的 錯合物 4。

另外也利用 UV/vis 吸收光譜進行錯合物 5 與 KO2的反應，將錯合物 5 配置成 2 × 10^-4 M 的乙腈溶液，在 330、380 以及 480 nm 有特徵吸收 峰。當加入 KO2與之進行反應後，原本的特徵吸收峰隨時間減弱，並在

350 nm 有新的吸收峰生成，反應 18 分鐘後只剩下 350 nm 的吸收峰，此 為錯合物 4 的特徵吸收峰。

Fig. 3-14

[Ni(BDPP

^OH

)]PF

6

(5)與 KO

2

進行反應的 UV/vis 吸收光譜圖

為了對反應過程中產生的氣體進行定性及定量的分析，利用林震煌 老師所開發之哨式 GC 偵測儀進行反應氣體生成之量測(fig. 3-15)。將測 量的結果利用理想氣體方程式推算，在有錯合物 5 會比空白試劑多產生 0.017 毫莫耳的氧氣，產率為 34%。

Fig. 3-15

(a)空白試劑 (b)錯合物 5 與 KO

2

進行反應的 GC 訊號圖 (內圖為氧氣量與頻率變化量的檢量線)

由此實驗得知，錯合物 5 與 KO₂反應後的確能還原生成錯合物 4 並 將 O₂^—氧化成 O₂，成功模擬氧化態 NiSOD 的反應。

Time (s) Time (s)

Frequency (Hz)Frequency (Hz)

二、超氧化物歧化酶活性測試

超氧化物歧化酶的活性測試是利用黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase，

XO)在氧化黃嘌呤形成尿酸的過程中，會消耗氧氣形成過氧化氫以及超 氧離子，所產生出來的超氧離子跟溶液中的顯色劑 2-(4-Iodophenyl)- 3-(4-nitrophenyl)-5-(2,4-disulfophenyl)-2H-tetrazolium (WST-1) 反 應 形 成 formazan 並在紫外/可見光光譜 450 nm 的位置有吸收峰。若測試的藥劑 具有氧化物歧化酶活性時，此藥劑會與 WST-1 競爭，消耗超氧離子而減 少 formazan 的產生，當外加藥劑的濃度使 formazan 產生的量為空白試 劑 的 一 半 時 ， 此 濃 度 即 為 半 抑 制 濃 度 (half maximal inhibitory concentration，IC50)。

Scheme 3-3超氧化物歧化酶活性測試之反應過程

然而經由超氧化物歧化酶活性測試的實驗發現錯合物 5 對超氧離子

的半抑制濃度為 1.8 × 10^-4 M，效果不如文獻中發表的胜肽鍵化合物 (Table 3-6)。錯合物 5 為三價鎳錯合物，跟 O2

—反應後會被還原成錯合物 4，雖然直接將錯合物 4 加入 O2

—不會進行反應，但是卻可測得錯合物 5 的半抑制濃度，故可知錯合物 5 仍有機會進行催化循環，幫助循環完成 的原因可能是由於錯合物 5吡咯上 4 號位置的羥基使其對水的溶解度變 好，讓錯合物 5 在反應進行中將 O2

—先氧化成 O2，並生成的錯合物 4，

溶劑中的水成為質子的來源，配合所生成的錯合物 4 將 O2

—還原成

H2O2，以完成催化循環。

Table 3-9 文獻上酵素及模擬化合物的半抑制濃度

酵素

IC50 (M) Ref

Bovine erythrocyte 4.0 × 10

^-8

22

蛋白質擬態化合物

Ni

^II

-NCC 4.1 × 10

^-5

20

Ni

^II

(SOD

^M1

) 2.1 × 10

^-7

21

Ni

^II

(SOD

^M2

) 1.1 × 10

^-6

21

Ni(BDPP^OH)PF₆ (5)

1.8 × 10

^-4

This work

第四章 結論與展望

由本實驗室江建緯學長所進行 NiSOD 模擬的研究，利用 H2BDPP 配位基所合成的 NiBDPP 錯合物，可當作 NiSOD 的功能性擬態化合 物。本研究修飾 H2BDPP 配位基，設計含有酯類官能基的 BMP^ORP 系列配位基，另外亦修飾合成 H2BDPP 上吡咯 4 號位置為羥基的 H2BDPP^OH，比較配位基性質的不同與其對 Ni^III錯合物的生成及穩定 性的影響。經由研究所得的結果，歸納出幾個重要的結論：

一、由 X-ray 結構解析可發現，NiBMP^ORP 系列錯合物 1 ~ 3 的鎳 氧鍵鍵長較長，而錯合物 4 的鎳氧鍵長較短，是由於配位基上氧原子 提供電子的能力不同所造成。

二、由電化學結果得知 NiBMP^ORP 系列的錯合物 1 ~ 3 無法提供 足夠的電子穩定缺電子的三價鎳離子，故無法形成Ni^III錯合物。相對 地，錯合物 4 是有機會形成穩定的 Ni^III錯合物。

三、錯合物 4 加入[CP2Fe]PF6氧化可得到三價鎳錯合物 5，並利 用紫外/可見光光譜、電化學及 EPR 測得Ni^III錯合物的性質，以及藉 由 DFT 理論計算方法了解其可能的結構與分子軌域分布。

四、錯合物 4 不會與 O2

—進行反應，而錯合物 5 能將 O2

—先氧化

成 O2，並利用超氧化物歧化酶活性測試測得錯合物 5 對超氧離子的 半抑制濃度為 1.8 × 10^-4 M，表示錯合物 5 是有機會進行 O2

成 O2，並利用超氧化物歧化酶活性測試測得錯合物 5 對超氧離子的 半抑制濃度為 1.8 × 10^-4 M，表示錯合物 5 是有機會進行 O2

在文檔中 含各式4-羥基脯胺酸配位基之鎳錯合物合成及反應性探討與含鎳超氧化物歧化酶活性中心模擬之研究 (頁 62-0)